DE2933315C2 - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Umformer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an ultrasonic transducer according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger Ultraschall-Umformer geht aus der DE-OS 27 42 492 mit älterem Zeitrang hervor und ist besonders für Ullraschallabbildungen durch optisch opake Medien hindurch, z. B. für medizinische Diagnosen. Mikroskope, zerstörungsfreie Untersuchungen, Untersuchungen von Unterwasserbedingungen, Erdbebenuntersuchungen und dergleichen, geeignet.Such an ultrasonic transducer emerges from DE-OS 27 42 492 with an older seniority and is especially for ultrasonic images through optically opaque media, e.g. B. for medical diagnoses. Microscopes, non-destructive examinations, studies of underwater conditions, earthquake studies and the like, are suitable.
Bei diesem früheren Vorschlag werden die Ultraschallwellen von derjenigen Seite des Substrats abgestrahlt, auf der die verzahnte Elektrodenanordnung aufgebracht ist. Demzufolge wird die mit der verzahnten Elektrodenanordnung versehene Substratseite mit dem Medium in Berührung gebracht, in das die Ultraschallwellen abgestrahlt werden sollen. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß der Elektrodenanordnung, insbesondere bei feuchten oder flüssigen Medien.In this earlier proposal, the ultrasonic waves radiated from that side of the substrate on which the toothed electrode arrangement is upset. As a result, the substrate side provided with the toothed electrode arrangement becomes with brought into contact with the medium into which the ultrasonic waves are to be emitted. this leads to to premature wear of the electrode arrangement, especially in the case of moist or liquid media.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Umformer der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem ein vorzeitiger Verschleiß der Elekirodenanordnung durch das Medium, in das die Ultraschallwellen abgestrahlt werden sollen, auf einfache Weise vermieden ist.The invention is based on the object of specifying an ultrasonic transducer of the generic type, in which a premature wear of the electrode arrangement by the medium in which the Ultrasonic waves are to be emitted, is avoided in a simple manner.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.The solution to this problem according to the invention is characterized in claim 1.
Im Gegensatz zu dem gattungsgemäßen Umformer, bei dem die Substrat-Dicke wesentlich größer ist, so daß eine Rayleigh-Welle von der mit der verzahnten Elektrodenanordnung versehenen Substratseite abgestrahlt wird, ergibt sich erfindungsgemäß eine Lamb-WeIIe auf der anderen Seite des Substrats, aufgrund der geringeren Substrat-Dicke in Verbindung mit der verzahnten Elektrodenanordnung,In contrast to the generic converter, in which the substrate thickness is significantly greater, so that a Rayleigh wave is radiated from the substrate side provided with the toothed electrode arrangement is, according to the invention there is a Lamb wave on the other side of the substrate, due to the smaller substrate thickness in connection with the toothed electrode arrangement,
Diese Strahlungsrichtung hat den Vorteil, daß die die verzahnte Elektrodenanordnung aufweisende Seite des Umformers nicht mit dem Medium in Berührung gebracht zu werden braucht, in das die Ultraschallwelle abgestrahlt werden soll. Die verzahnte Elektrodenan-This direction of radiation has the advantage that the side of the having the toothed electrode arrangement The converter does not need to be brought into contact with the medium in which the ultrasonic wave is in contact should be emitted. The toothed electrode
Ordnung braucht daher insbesondere nicht vor feuchten oder flüssigen Medien geschützt zu werden, was den Aufbau vereinfachtOrder therefore does not need to be protected from moist or liquid media in particular, which is the Structure simplified
Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigtA preferred embodiment is described in more detail below with reference to the drawing. It shows
F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Umformer, Fi g. 2 eine Draufsicht auf verzahnte Elektroden,F i g. 1 schematically shows a section through an ultrasonic transducer designed according to the invention, Fi g. 2 shows a plan view of toothed electrodes;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Umformers und3 shows a diagram for explaining the mode of operation an ultrasonic transducer according to the invention and
Fig.4 und 5 grafische Darstellungen von Meßergebnissen bei Ausführungsbeispielen.4 and 5 graphical representations of measurement results in exemplary embodiments.
Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Umformer besitzt ein piezoelektrisches Substrat 1, dessen Dicke gleich oder kleiner als die Wellenlänge λ einer Schallwelle in dem Substrat ist Eine »interdigitale« oder verzahnte Elektrodenanordnung 2 besteht aus zwei kammartigen Elektroden mit Anschlüssen a und b, deren Zinken oder Zähne verzahnt sind bzw. ineinandergreifen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Eine ebene Elektrode 3 mit einem Anschluß c ist an der Rückseite des Substrats 1 angeordnet und steht mit einem flüssigen Medium 4 in Berührung. Wenn an die Anschlüsse a, b und c dreiphasige Wechselspannungen angelegt werden, wird eine Schallwelle, d.h. eine Longitutinalwelle gemäß Gleichung (1) von der dem flüssigen Medium zugekehrten Seite des piezoelektrischen Substrats in das flüssige Medium abgestrahlt. .Shown in FIG. 1 ultrasonic transducer has a piezoelectric substrate 1 having a thickness equal to or smaller than the wavelength λ of an acoustic wave in the substrate is a "interdigitated" or toothed electrode assembly 2 consists of two comb-like electrodes with terminals a and b, the Prongs or teeth are interlocked or interlocked, as shown in FIG. 2 is shown. A flat electrode 3 with a connection c is arranged on the rear side of the substrate 1 and is in contact with a liquid medium 4. If three-phase alternating voltages are applied to the connections a, b and c , a sound wave, ie a longitudinal wave according to equation (1), is radiated into the liquid medium from the side of the piezoelectric substrate facing the liquid medium. .
sin Θ = VWIVL (1)sin Θ = V W IV L (1)
Darin ist θ die Strahlungsrichtung der Schallwelle, Vw die Geschwindigkeit der Schallwelle im flüssigen Medium und Vl die Geschwindigkeit einer sich in dem piezoelektrischen Substrat ausbreitenden Lamb-Welle. Die Lamb-Welle unterscheidet sich von der Rayleigh-Welle darin, daß bei der Lamb-Welle Verschiebungen an den gegenüberliegenden Oberflächen eines Mediums auftreten, durch das die Welle wandert, und im Falle einer symmetrischen Schwingungsart (Mode) sind die Charakteristiken dieser Verschiebungen die gleichen. Betrachtet man daher diese Charakteristiken, dann zeigt sich, daß der Zustand der Verschiebung auf der mit den verzahnten Elektroden versehenen Substratoberfläche der gleiche wie der auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats ist, so daß eine wirksame Abstrahlung der Schallwelle in das flüssige MediumTherein, θ is the direction of radiation of the sound wave, Vw is the speed of the sound wave in the liquid medium and Vl is the speed of a Lamb wave propagating in the piezoelectric substrate. The Lamb wave differs from the Rayleigh wave in that, in the Lamb wave, displacements occur on the opposite surfaces of a medium through which the wave travels, and in the case of a symmetrical mode, the characteristics of these displacements are the same . Therefore, considering these characteristics, it is found that the state of displacement on the substrate surface provided with the toothed electrodes is the same as that on the opposite surface of the substrate, so that effective radiation of the sound wave into the liquid medium
- dadurch bewirkt v/erden kann, daß man die mit den verzahnten Elektroden versehene Substratoberfläche vom flüssigen Medium abgekehrt, dagegen die gegenüberliegende Oberfläche (d.h. die mit der ebenen Elektrode versehene Oberfläche) mit dem flüssigen , Medium in Berührung stehend anordnet. Darüber hinaus kann eine von einem Umformer dieser Art empfangene. Schallwelle wirksam in elektrische Signale umgeformt werden, und in diesem Falle wird die Empfind'ichkeit ebenfalls maximal, wenn die Schallwelle aus einer Richtung eintrifft, die Gleichung (1) erfüllt. Wenn die Periode der verzahnten Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet wird, gleiche Intervalle aufweist, wird die von jedem Abschnitt der verzahnten Elektrode abgestrahlte Schallwelle in Form eines Schallwellenstrahls parallel zu einer Richtung abgestrahlt, die die nachstehende mit Gleichung (1) in Beziehung stehende Gleichung (2) erfüllt:- This has the effect that the substrate surface provided with the toothed electrodes can be grounded turned away from the liquid medium, but the opposite surface (i.e. the one with the flat Electrode provided surface) with the liquid medium in contact. About that in addition, a. Sound wave effective in electrical signals are transformed, and in this case the sensitivity is also maximal when the sound wave arrives from a direction which satisfies equation (1). When the period of the toothed electrode that is on arranged on the piezoelectric substrate has equal intervals, that of each becomes Section of the toothed electrode emitted sound wave in the form of a sound wave beam parallel to it emitted in a direction which equation (2) related to equation (1) below Fulfills:
= sin"= sin "
(2)(2)
Darin ist /die Trägerfrequenz elektrischer Signale, die dem Umformer zugeführt werden, und d die Elektrodenperiode der verzahnten Elektrode.Here / is the carrier frequency of electrical signals fed to the transducer and d is the electrode period of the toothed electrode.
Wenn bei dem erwähnten Aufbau des Umformers die ebene Elektrode weggelassen wird und einphasige Wechsehpannungen an die verzahnten Elektroden angelegt werden, wirkt der Umformer weiterhin in ähnlicher Weise. Wenn die angelegten Spannungen einphasig sind, werden zwei Schallstrahlen abgestrahlt, und zwar der eine in Richtung +Θ und der andere in Richtung -Θ, während beim Anlegen dreiphasiger Spannungen Tiur eine Welle abgestrahlt wird, und zwar in Richtung + θ oder — Θ.If in the above-mentioned construction of the converter, the plane electrode is omitted and single-phase If alternating voltages are applied to the toothed electrodes, the converter continues to act similar way. When the applied voltages are single-phase, two sound beams are emitted, namely the one in the + Θ direction and the other in the -Θ direction, while three-phase when applying Tensions Tiur a wave is radiated, in the direction + θ or - Θ.
Selbst wenn jedoch dreiphasige Wechselspannungen angelegt werden, ist erfindungsgemäß die verzahnte Elektrodenform, wh sie in Fig.2 dargestellt ist, ausreichend, so daß keine Dreiphasen-Elektroden auf der einen Seite des piezoelektrischen Substrats angeordnet zu werden brauchen, wie es bei bekannten Umformern der Fall ist (die zusätzlich eine spezielle Konstruktion eines Kreuzungsteils aus Elektrodenleilungen benötigen, um einen Kurzschluß zu verhindern). Der erfindungsgemäße Elektrodenaufbau ist daher wesentlich einfacher.However, even if three-phase alternating voltages are applied, according to the invention, the interlocking one Electrode shape, wh it is shown in Fig.2, sufficient so that no three-phase electrodes need to be arranged on one side of the piezoelectric substrate, as in known ones Transformers is the case (which also has a special construction of a crossover part made of electrode cables to prevent a short circuit). The electrode structure according to the invention is therefore much easier.
Obwohl in der Zeichnung eine lineare Konstruktion der ver/.ahnten Elektroden dargestellt ist, läßt sich eine ähnliche Wirkung auch mittels verzahnter Elektroden in gebogener Form erzielen.Although the drawing shows a linear construction of the interleaved electrodes, one can be A similar effect can also be achieved by means of toothed electrodes in a curved shape.
Anhand von Fig.3 wird nachstehend die Bestimmung des Elektrodenabstands beschrieben. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge Ar einer Schallwelle mit der Frequenz /"in einer Flüssigkeit und der Richtung der maximalen Ausgangsstrahlung (Winkel Θ) wird durch nachstehende Gleichung beschrieben, die mit Meßergebnissen gut übereinstimmt.The determination of the electrode spacing is described below with reference to FIG. The relationship between the wavelength Ar of a sound wave with the frequency / "in a liquid and the direction of the maximum output radiation (angle Θ) is described by the following equation, which agrees well with measurement results.
2(12 (1
3030th
3535
sin θ sin θ
(3)(3)
Darin ist c/der Abstand zwischen den Elektroden. Um gemäß Fig. 3 die von verschiedenen Elektroden -to abgestrahlten Schallwellen in einem Punkt P zu fokussieren (d. h. zu erreichen, daß die von verschiedenen Punkten abgestrahlten Schallwellen den Punkt P durchlaufen und miteinander in Phase sind), muß nachstehende Bedingung erfüllt sein:Where c / is the distance between the electrodes. In order, according to FIG. 3, to focus the sound waves emitted by different electrodes at a point P (ie to achieve that the sound waves emitted from different points pass through point P and are in phase with one another), the following condition must be met:
(4)(4)
η = 0, ±1,±2, · · ■ ,±N η = 0, ± 1, ± 2, · · ■, ± N
5050
Darin sind Xf die Wellenlänge einer Schallwelle mit der Frequenz /in der Flüssigkeit, R0 der Abstand der nullten Elektrode vom Strahlfokussierungspunkt und Xn der Horizontalabstand vom Nullpunkt (0) bis zu einer bestimmten Elektrode.Here, Xf is the wavelength of a sound wave with the frequency / in the liquid, R 0 is the distance of the zeroth electrode from the beam focusing point and X n is the horizontal distance from the zero point (0) to a certain electrode.
Als Elektrodenmaterial ist eine Zusammensetzung aus Chrom (Cr) und Gold (Au) wegen seiner ausreichend hohen mechanischen Festigkeit besonders b0 geeignet. Die Elektroden werden in an sich bekannter Weise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats aufgebracht, z. B. durch Aufdampfen und Aufsprühen. Das piezoelektrische Substrat kann aus LiNbO3, Quartz, Bh2GeO20, PZT-Keramik (z. B. der von b5 der TDK Electronics Co, Ltd, hergestellten piezoelektrischen Keramik 91 A) oder dergleichen hergestellt sein.As the electrode material, a composition of chromium (Cr) and gold (Au) is suitable because of its sufficiently high mechanical strength particularly b0. The electrodes are applied to the surface of the piezoelectric substrate in a manner known per se, e.g. B. by vapor deposition and spraying. The piezoelectric substrate can be made of LiNbO 3 , quartz, Bh 2 GeO 20 , PZT ceramic (e.g. the piezoelectric ceramic 91A manufactured by b5 of TDK Electronics Co, Ltd), or the like.
Ein Ultraschall-Umformer wurde in der Weise hergestellt, daß auf der einen Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats aus einer piezoelektrischen Keramik 91A der TDK verzahnte Elektroden mit gleichen Abständen (mit einer Elektrodenperiode von !,4 mm, einer Elektrodenüberlappungslänge von 10 mm und einer Elektrodenzahnbreite von 350 pm, die gleich dem Elektrodenabstand ist) angebracht wurden, eine ebene Elektrode auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats durch Aufsprühen von Cr-Au ausgebildet wurde und die Elektroden mit Anschlüssen a, bund cverbunden wurden, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist Den beiden Elektrodenanschlüssen a und oder verzahnten Elektroden wurden elektrische Signale aus hochfrequenten Impulsen zugeführt. Bei einer Änderung der Trägerfrequenz der elektrischen Signale änderte sich die Richtung (0) der akustischen Strahlen, die von der mit einer Flüssigkeit in Berührung stehenden Rückseite abgestrahlt wurden, mit der Trägerfrequenz, wie es in Fig.4 dargestellt ist. in diesem Falle stand die Polarisierungsachse senkrecht zu derjenigen Ebene der piezoelektrischen Keramik, auf der die verzahnten Elektroden aufgebracht waren, und die piezoelektrische Keramik hatte eine Länge von 70 mm, eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 0,15 mm. Ferner zeigt: sich ein ähnliches Verhalten, als eine Kombination einer der beiden Anschlüsse der verzahnten Elektroden mit der ebenen Elektrode (als geerdete Elektrode) auf der gegenüberliegenden Oberfläche, und auch dann, als nur die verzahnten Elektroden, ohne Ausbildung einer ebenen Elektrode, benutzt wurden. Im zuletzt genannten Falle wurden in zwei Richtungen Schallwellen abgestrahlt, d. h. in Richtung +Θ und in Richtung — Θ. Obwohl es günstig ist, die Schallwellen beider Richtungen zu benutzen, ist es auch möglich, die eine, je nach Anwendungsfall, durch eine Schallabsorbierungseinrichtung zu unterdrücken.An ultrasonic transducer was manufactured in such a way that on one surface of a piezoelectric substrate made of a piezoelectric ceramic 91A of the TDK, toothed electrodes at equal intervals (with an electrode period of !.4 mm, an electrode overlap length of 10 mm and an electrode tooth width of 350 pm, which is equal to the electrode spacing), a flat electrode was formed on the opposite surface of the substrate by spraying Cr-Au, and the electrodes were connected to terminals a, b and c as shown in FIGS. 1 and 2 The two electrode connections a and or interlocked electrodes were supplied with electrical signals from high-frequency pulses. When the carrier frequency of the electrical signals changed, the direction (0) of the acoustic rays, which were emitted from the rear side in contact with a liquid, changed with the carrier frequency, as shown in FIG. in this case the polarization axis was perpendicular to that plane of the piezoelectric ceramic on which the toothed electrodes were applied, and the piezoelectric ceramic had a length of 70 mm, a width of 20 mm and a thickness of 0.15 mm. Furthermore, the behavior is similar when a combination of one of the two connections of the toothed electrodes with the flat electrode (as a grounded electrode) on the opposite surface, and also when only the toothed electrodes were used without the formation of a flat electrode . In the latter case, sound waves were emitted in two directions, ie in the + Θ direction and in the - Θ direction. Although it is advantageous to use the sound waves in both directions, it is also possible, depending on the application, to suppress one by means of a sound absorption device.
Es wurde eine Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Keramik, die die gleichen Eigenschaften wie die nach Beispie! 1 hatte, hergestellt und so ausgelegt, daß sie Schallwellen mit einer Frequenz von 2,3 MHz an einer 30 cm vom Umformer entfernten Stelle fokussierte, und dann wurden Untersuchungen an der Vorrichtung durchgeführt. Die grafische Darstellung in F i g. 5 stellt die Ergebnisse dieser Untersuchungen dar, wobei die Strahlbreiten für gegenüber dem Mittelwert um 3 dB niedrigere Energiewerte gelten. Wie die Darstellung zeigt, betrug die Strahlbrcite im fokussicrten Tei' 7,5 mm, während der Abstand zum Strahlfokussierungspunkt nahe bei dem Auslegewert (Nennwert) lag. Hierbei war die mit der Flüssigkeit in Berührung stehende ebene Elektrode geerdet, während die dreiphasigen elektrischen Signale drei Gruppen von Elektrodenanschlüssen, zu denen zwei Anschlüsse für die verzahnten Elektroden gehörten, zugeführt wurden, wobei die Abstrahlung der akustischen Strahlen in nur einer Richtung bestätigt wurde.There has been a device with a piezoelectric ceramic having the same properties as that according to example! 1 was manufactured and designed so that it emits sound waves at a frequency of 2.3 MHz at a point 30 cm from the transducer, and then tests were carried out on the device carried out. The graph in FIG. 5 shows the results of these investigations, wherein the beam widths apply to energy values 3 dB lower than the mean value. Like the representation shows, the beam width in the focused part was 7.5 mm, while the distance to the beam focusing point was close to the design value (nominal value). The was in contact with the liquid standing plane electrode grounded while the three-phase electrical signals three groups of Electrode connections, which included two connections for the toothed electrodes, were supplied, the emission of the acoustic rays was confirmed in only one direction.
Ähnliche Strahlfokussierungseigenschaften von Schallwellen ergaben sich, als einphasige elektrische Signale zwei Anschlüssen der drei Elelctrodenanschlüsse zugeführt wurden.Similar beam focusing properties of sound waves were found as single-phase electrical ones Signals two connections of the three Elelctrodenan connections were fed.
Wie vorstehend ausführlich dargelegt wurde, lassen sich durch Anlegen von Wechselspannungen an verzahnte Elektroden auf einem dünnen piezoelektri-As explained in detail above, by applying alternating voltages toothed electrodes on a thin piezoelectric
sehen Substrat Ultraschallstrahlen mit ausgezeichneten Fokussierungseigenschaften in eine mit dem Substrat in Berührung stehende Flüssigkeit abstrahlen.see substrate ultrasonic rays with excellent Emit focusing properties into a liquid in contact with the substrate.
Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Abbildungen beschränkt, sondern kann generell in allenThe invention is not limited to the production of images, but can generally be used in all
Fällen angewandt werden, bei denen Schallwellenstrahlen fokussiert werden müssen, z. B. zum Zerstäuben einer Flüssigkeit durch Fokussierung von Schallwellenstrahlen an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und Luft.Cases where sound wave beams need to be focused, e.g. B. for atomization a liquid by focusing sound wave rays at the interface between the liquid and air.
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
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